城市擴張導(dǎo)致京津冀區(qū)域生境質(zhì)量下降

鄧 越,蔣衛(wèi)國,王文杰,呂金霞,陳 坤

1 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部, 環(huán)境遙感與數(shù)字城市北京市重點實驗室,北京 100875 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部, 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875 3 中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012

生境多樣性,作為生物多樣性的重要組成部分,通過確保生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定以及恢復(fù)力,從而為人類提供生態(tài)福祉[1]。然而,在過去的幾十年中,人類活動已造成大量的生境喪失、生境破碎和生境質(zhì)量下降等各種不利后果,對人類福祉產(chǎn)生不利影響[2-3]。特別地,城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的土地利用變化活動,通過影響物質(zhì)流、能量流在生境斑塊之間的循環(huán)過程,從而改變區(qū)域生境分布格局和功能[4]。京津冀區(qū)域,作為中國經(jīng)濟發(fā)展的重要核心之一,該地區(qū)經(jīng)歷了快速的城鎮(zhèn)化過程和高強度的土地利用變化,給京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大外界壓力,環(huán)境惡化不斷加劇, 嚴(yán)重威脅區(qū)域生境質(zhì)量,因此,分析京津冀生境質(zhì)量時空變化特征,對于區(qū)域生態(tài)安全具有重要作用。

基于生境質(zhì)量指標(biāo)體系評估生境質(zhì)量是常用的方法之一[5-7]。如王強等[5]構(gòu)建10項指標(biāo)(如流太、河床底質(zhì)等)用以評估東河河流生境質(zhì)量。這類方法一般側(cè)重于生境適宜度的評估,而忽視了威脅源的影響[8]。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)是美國自然資本項目組開發(fā)的、用于評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量及其經(jīng)濟價值、支持生態(tài)系統(tǒng)管理和決策的一套模型系統(tǒng)[9]。模型集成多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估模塊,如生境質(zhì)量模型、碳儲量模型等已得到國內(nèi)外學(xué)者的諸多應(yīng)用[10-21]。InVEST生境質(zhì)量模型將土地利用/覆蓋圖作為生境,從生境自然屬性和外在威脅導(dǎo)致的生境退化度兩方面計算生境質(zhì)量得分[9]。Sallustio等[10]基于該模型分析了意大利自然保護區(qū)的生境質(zhì)量變化,表明生境質(zhì)量高低和保護區(qū)的保護等級有一定關(guān)系。劉智方等[16]基于該模型評估了福建省2000—2010年生境質(zhì)量變化情況,表明福建省大部分地區(qū)生境質(zhì)量較高,然而東南沿海地區(qū)受建設(shè)用地大量擴張的影響而生境質(zhì)量較低。一些研究者也采用InVEST模型分析京津冀生境變化特征。如陳妍等[8]基于InVEST模型分析1990—2010年北京市生境質(zhì)量變化情況,表明海淀、朝陽、石景山和豐臺四區(qū), 永定、潮白兩河以及海拔75—100 m左右的平原山區(qū)交界地帶的生境質(zhì)量退化最為嚴(yán)重。吳健生等[17]利用InVEST 模型分析了京津冀地區(qū)2000—2010年土地利用變化引起的生境質(zhì)量的時空演變,研究結(jié)果2000—2010年,由于景觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的減弱和破碎度的提升,京津冀地區(qū)東南部和南部生境質(zhì)量較低、北部和西部較高。

本文在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,以京津冀為研究區(qū),利用InVEST 模型,首先在市域尺度上分析京津冀生境質(zhì)量的時空變化,然后結(jié)合景觀指數(shù)法,分析不同等級的生境斑塊景觀格局變化特征,以期為京津冀區(qū)域未來的生態(tài)保護規(guī)劃和安全保障研究提供一定的支持。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置及地貌Fig.1 Location of the study area and its topography

京津冀地區(qū)由北京、天津兩個直轄市和河北省下轄11地級市(保定、承德、滄州、邯鄲、衡水、廊坊、秦皇島、石家莊、唐山、邢臺、張家口)組成(圖1)。該區(qū)地處中國華北平原,其高程范圍約為-52—2836 m,具有東南低、西北高空間分布特點。京津冀氣候?qū)俚湫偷臏貛О霛駶櫚敫珊导撅L(fēng)氣候,主要特征表現(xiàn)為春秋干旱多風(fēng),夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥[19]。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),從2005—2015年,京津冀地區(qū)經(jīng)濟取得迅速發(fā)展,其地區(qū)生產(chǎn)總值從2005年20771.5億元上升至2015年69867.9億元,約增長3.4倍。其中, 2015 年北京、天津、河北生產(chǎn)總值分別占32.9%、23.7%和43.4%(圖2)。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究搜集了京津冀2005年和2015年兩期100 m空間分辨率土地利用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。100 m空間分辨率數(shù)據(jù)可以避免碎小生境的存在。根據(jù)研究需要,在ArcGIS中將土地利用類型歸并為耕地、林地、草地、水體、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村住宅用地、工礦建設(shè)用地以及未利用地等8種類型。主要公路和鐵路數(shù)據(jù)等矢量數(shù)據(jù)來源于1∶400萬國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(http://www.cehui8.com/3S/GIS/20130702/205.html)。

圖2 2005—2015年京津冀GDP增長Fig.2 The increase of GDP in the Beijing-Tianjin-Hebei Area from 2005 to 2015

2.2 生境質(zhì)量模型

InVEST生境質(zhì)量模型將土地利用/覆蓋圖作為生境,從生境自然屬性和外在威脅導(dǎo)致的生境退化度兩方面計算生境質(zhì)量得分[9]。生境退化度計算如下式所示:

(1)

(2)

式中,Dxj表示生境類型j中第x個生境像元的生境退化度。r為生境的威脅源;y為威脅源r中的柵格。dxy為生境的x像元與威脅源的y像元的距離。wr和drmax則分別作為為威脅源r的權(quán)重和最大影響范圍。βx表示地方保護政策等影響,本研究中暫未考慮。Sjr表示每種生境對不同威脅源的相對敏感程度。

除了考慮外界脅迫造成的生境退化,生境質(zhì)量計算還需要考慮生境自然屬性。生境質(zhì)量得分計算如下式所示:

(3)

式中,Qxj表示生境類型j中第x個生境像元的生境質(zhì)量得分;Hj表示生境類型j的生境適宜度,當(dāng)不考慮具體物種的生境情況下,H值為二變量值(1:生境;0:非生境)。z和k采用模型默認(rèn)參數(shù),分別為2.5和0.5。

城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村住宅用地、工礦建設(shè)用地人類活動劇烈,而未利用地生態(tài)環(huán)境惡劣,因此將其作為非生境,其他用地類型,如耕地、林地、草地和水域等則作為生境[8,16-18]。InVEST生境質(zhì)量模型中需要輸入的威脅源參數(shù)信息和生境敏感性參數(shù)信息,則根據(jù)相關(guān)研究[8,17],進行設(shè)定。表1展示了本研究選定的生境威脅源及其最大影響距離和權(quán)重,表2展示了不同生境的生境適宜度及對不同威脅源的敏感程度。

表1 威脅源及其最大影響距離和權(quán)重

表2 生境對各威脅源的敏感性

2.3 景觀指數(shù)法

城鎮(zhèn)化進程不僅影響生境質(zhì)量程度,同樣影響其生境斑塊的景觀格局。因此研究相關(guān)選擇景觀格局指數(shù),從類型水平和景觀水平兩種尺度,分析生境斑塊的景觀格局變化特征。選擇的景觀指數(shù)有斑塊數(shù)量 (Number of Patches, NP) 、 斑塊密度 (Patch Density,PD),平均斑塊面積(Mean of Patch Area,Area_MN) 、最大斑塊指數(shù)(Largest Patch Index,LPI)、 凝聚度指數(shù)(Cohesion Index,COHESION)和蔓延度指數(shù) (Contag Index,CONTAG)[17,22]。具體計算則在Fragstats 4.2 軟件完成。

3 結(jié)果

3.1 京津冀生境面積變化

研究首先統(tǒng)計了2005—2015年京津冀區(qū)域內(nèi)生境面積變化特征,其結(jié)果如表3所示。2005年,京津冀生境面積191297.8 km2,其中耕地生境面積107222.6 km2, 林地生境面積43760.6 km2,草地生境面積34443.6 km2,水域生境面積5871.0 km2。2015年,京津冀生境面積總共減少了7134.2 km2,占2005年生境面積的3.7%。從不同生境類型看,耕地、草地和水域生境面積分別減少5081.0、1695.1、421.6 km2,分別占對應(yīng)類型生境面積的4.7%,4.9%和7.2%。與此同時,林地生境面積增加63.6 km2。從不同市級區(qū)劃來看,北京、保定、石家莊、邢臺等四市生境損失較為嚴(yán)重,生境損失面積分別達1007.2、1002.7、924.9 km2、以及955.8 km2,分別占京津冀生境損失的14.1%、14.0%、13.0%和13.4%。其中,耕地生境損失為主要損失源。

表3 2005—2015年京津冀區(qū)域生境面積變化/km2

3.2 京津冀生境質(zhì)量時序變化

2005—2015年京津冀地區(qū)總體生境質(zhì)量變化如圖3所示。從2005—2015年,京津冀生境質(zhì)量總體呈下降趨勢,其生境質(zhì)量平均得分從0.88降至0.83,下降5.69%。2005年,北京、天津、唐山以及廊坊等四市生境質(zhì)量較低,均低于0.80。至2015年,四市生境質(zhì)量更是降低至0.70左右。保定、邯鄲、石家莊以及邢臺等四市生境質(zhì)量下降幅度同樣較為明顯。2005年,四市生境質(zhì)量分別約為0.87、0.85、0.87以及0.88。至2015年,四市生境質(zhì)量分別約為0.80、0.77、0.77以及0.78。與此同時,承德,秦皇島以及張家口等三市生境質(zhì)量較高,其下降程度也較低。

圖3 京津冀地區(qū)生境質(zhì)量變化(2005—2015)Fig.3 Habitat quality changes in the Beijing-Tianjin-Hebei area from 2005—2015

研究分析了京津冀區(qū)域內(nèi)耕地、林地、草地、水域生境質(zhì)量變化情況,結(jié)果如表4所示。整體上看,京津冀區(qū)內(nèi)林地和草地生境質(zhì)量最高,水域生境質(zhì)量次之,耕地生境質(zhì)量最低。從下降程度看,耕地生境質(zhì)量下降最為嚴(yán)重,為0.025;其次為水域生境,下降0.006。林地和草地生境質(zhì)量下降幅度分別為0.002和0.003。從不同城市看,2005—2015年,北京市耕地生境質(zhì)量最低,下降程度也較高。2005年和2015年,北京市耕地生境質(zhì)量分別為0.871和0.806,下降0.065。其次保定市耕地生境質(zhì)量變化也較為明顯,2005和2015年分別為0.923和0.868,下降0.055。廊坊市林地生境質(zhì)量相對較低,且下降程度最為嚴(yán)重,下降幅度達0.027。然而衡水市林地生境質(zhì)量有所提高,提高幅度達0.021。滄州市由于草地生境喪失,因此草地生境損失最為嚴(yán)重。此外,可以發(fā)現(xiàn)滄州市水域生境質(zhì)量增加0.013。另外,廊坊、北京和唐山水域生境質(zhì)量下降最為嚴(yán)重,三者分別達0.037、0.018和0.017。

表4 津冀地區(qū)不同生境類型質(zhì)量變化(2005—2015)

3.3 京津冀生境質(zhì)量空間變化

京津冀生境質(zhì)量整體較高。為突出兩時段的生境變化格局,將京津冀生境質(zhì)量按0.6,0.7,0.8,0.9等間距為閾值,分級展示京津冀生境質(zhì)量空間分布,結(jié)果如圖4所示?？偟恼f來,京津冀生境質(zhì)量空間分布呈現(xiàn)出明顯的空間分布特征。東南部和南部生境質(zhì)量較低,而北部和西北部生境質(zhì)量較高。從2005—2015年,京津冀生境質(zhì)量退化的空間格局同樣呈現(xiàn)出東南部和南部退化較為嚴(yán)重,而北部西北部退化較為輕微的空間特征,并且生境質(zhì)量下降嚴(yán)重的區(qū)域主要沿著北京-保定-石家莊-邢臺-邯鄲軸線。在2005年,生境質(zhì)量位于0.6—0.8的斑塊主要沿著北京-廊坊-唐山軸線。至2015年,該類生境斑塊出現(xiàn)在天津、保定、石家莊、邢臺等地。另外,從圖3可以發(fā)現(xiàn),2005—2015年,生境質(zhì)量位于0.9—1的斑塊大部分轉(zhuǎn)換為0.8—0.9的生境斑塊。

根據(jù)上文生境質(zhì)量分級情況,分析不同生境質(zhì)量等級內(nèi)的景觀格局變化特征,類型水平上的景觀指數(shù)變化如圖5所示。京津冀區(qū)內(nèi)的生境斑塊NP和PD指數(shù)呈上升趨勢,表明京津冀生境斑塊破碎度劇,尤其對于生境質(zhì)量位于0.8—1的生境斑塊,其破碎度最為嚴(yán)重。從LPI指數(shù)看,生境質(zhì)量位于0.7—0.8以及0.9—1的生境斑塊呈下降趨勢,而其他等級的生境斑塊呈上升趨勢。從AREA_MN指數(shù)看,生境質(zhì)量位于0—0.8的斑塊呈現(xiàn)下降趨勢。從COHESION指數(shù)分析,生境質(zhì)量位于0—0.7斑塊呈現(xiàn)明顯上升趨勢。另外,生境質(zhì)量位于0.8—0.9的生境斑塊也存在輕微的上升趨勢。景觀水平分析結(jié)果如圖6所示。從2005—2015年,NP和PD增加,而LPI,AREA_MN和CONTAGE呈下降,表明受京津冀區(qū)域發(fā)展影響,京津冀生境斑塊景觀破碎度加劇。

圖4 京津冀生境質(zhì)量空間分布 ((1)北京、(2)保定、(3)石家莊)Fig.4 Spatial distribution of habitat quality in the Beijing-Tianjin-Hebei area ((1) Beijing, (2) Baoding, (3) Shijiazhuang)

圖5 類型水平景觀指數(shù)變化Fig.5 Landscape index changes on class metric

圖6 景觀格局指數(shù)計算結(jié)果Fig.6 The calculation results of landscape pattern index

4 討論

京津冀生境類型的空間分布差異決定了生境質(zhì)量的空間差異。京津冀西北和北部地形以山區(qū)為主,生境類型以林地為主,因此不易受人類活動影響。此外,受“退耕還林”政策影響,京津冀林地生境面積從2005年到2015年增長63.6 km2,因此,該區(qū)域林地生境質(zhì)量較高,如承德,張家口等市。京津冀南部和東南部地形以平原為主,生境類型以耕地為主。而隨著經(jīng)濟發(fā)展,人口增加、城市擴張等因素,京津冀耕地生境損失最為嚴(yán)重,約2295.05 km2耕地轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)用地,而新擴張的城鎮(zhèn)用地等威脅源又對鄰近耕地生境產(chǎn)生脅迫。因此,耕地生境質(zhì)量下降程度最為嚴(yán)重。

區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的不平衡同樣影響生境質(zhì)量空間變化分布差異。2005年,京津冀生境質(zhì)量較低區(qū)域主要位于北京、天津、廊坊、唐山、石家莊等市。從圖2可以看出,這些城市都具有相對較高的GDP。而到2015年,保定、邯鄲和邢臺等地經(jīng)濟有較快的發(fā)展。經(jīng)濟的發(fā)展也相應(yīng)的對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工業(yè)、居住用地的需求增加,導(dǎo)致生境喪失,生境質(zhì)量受到降低。而衡水、秦皇島等市經(jīng)濟發(fā)展稍慢,因此,生境質(zhì)量受損較為輕微。因此,從2005—2015年,生境質(zhì)量下降嚴(yán)重的區(qū)域主要沿著北京-保定-石家莊-邢臺-邯鄲。滄州GDP增長也較為明顯,但滄州水域生境面積從2005年到2015年增長近329.9 km2,且主要來源于沿海區(qū)域工礦建設(shè)用地轉(zhuǎn)換,因此,滄州生境質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)。

京津冀生境質(zhì)量退化受威脅源的影響,主要表現(xiàn)為城市擴張侵占原有生境,形成新的威脅源,造成生境面積和質(zhì)量下降,如圖7所示。除了生境面積和質(zhì)量下降外,城鎮(zhèn)擴張影響生境斑塊的景觀格局。對于高生境質(zhì)量斑塊,趨向于破碎;而對于低生境斑塊,卻趨向于集聚。整體上,生境斑塊破碎度增加。生境破碎度增加,意味生境穩(wěn)定性下降,對于生態(tài)安全具有重大消極影響。

圖7 京津冀地區(qū)生境類型轉(zhuǎn)換(2005—2015)Fig.7 Habitat type transformation in the Beijing-Tianjin-Hebei area

京津冀生境質(zhì)量總體上較好。然而其生境喪失、生境質(zhì)量下降以及生境破碎程度加劇等問題仍然明顯。未來的區(qū)域規(guī)劃中,需重點優(yōu)化耕地、林地和建設(shè)用地等景觀格局,在保持合理的經(jīng)濟增長基礎(chǔ)上加強耕地、林地和濕地保護。對于雄安新區(qū)等重點規(guī)劃區(qū)域,嚴(yán)控生態(tài)紅線,保證生境質(zhì)量,從而促進京津冀整體經(jīng)濟與生態(tài)保護的協(xié)調(diào)發(fā)展,保障京津冀生態(tài)安全。京津冀區(qū)域作為中國城市發(fā)展最為迅速區(qū)域之一,其面對的生態(tài)環(huán)境壓力尤為突出。本研究采用InVEST模型中生境質(zhì)量模塊評估京津冀生境質(zhì)量變化格局,具有簡單、空間明確等優(yōu)點,可為其他地區(qū)開展類似工作提供參考。然而關(guān)于模型輸入?yún)?shù)如威脅源的影響范圍和權(quán)重,以及生境敏感性等參數(shù),具有主觀性。而目前,尚沒有統(tǒng)一的方法設(shè)定參數(shù),因此,在一定程度上影響生境質(zhì)量評估。另外,城鎮(zhèn)化進程不僅僅影響生境質(zhì)量,更是影響多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),如碳儲量、水產(chǎn)量等。InVEST模型集成了多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型,未來可考慮基于該模型分析京津冀城市擴張導(dǎo)致的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化,為京津冀生態(tài)安全保障提供支持。

5 結(jié)論

本研究基于InVEST 生境質(zhì)量模型,評估了京津冀區(qū)域2005—2015年生境質(zhì)量時空變化格局,主要研究結(jié)論如下:1)2005—2015年,京津冀生境面積減少7134.2 km2,占2005年生境面積的3.7%。耕地、草地和水域生境面積分別減少5081.0,1695.1 km2和421.6 km2,分別占對應(yīng)類型生境面積的4.7%,4.9%和7.2%。2)京津冀生境質(zhì)量下降,其生境質(zhì)量平均得分從0.88降至0.83,下降5.69%。耕地生境質(zhì)量下降最為嚴(yán)重,其次為水域生境質(zhì)量。3)生境質(zhì)量下降區(qū)域主要沿著北京-保定-石家莊-邢臺-邯鄲等經(jīng)濟發(fā)展迅速的區(qū)域分布,并且主要表現(xiàn)為城市擴張侵占原有生境。4)京津冀高生境質(zhì)量斑塊破碎度增加,低生境質(zhì)量斑塊集聚程度增加,整體上生境斑塊破碎度增加。京津冀區(qū)域通過城市擴張等侵占原有大量生境,一方面造成生境面積的減少,另一方面則造成生境質(zhì)量的下降和生境景觀的破碎化,對于生物多樣性的保護具有消極的影響,未來的區(qū)域發(fā)展規(guī)劃應(yīng)當(dāng)兼顧生境質(zhì)量的維持和生物多樣性的保護。